[發明專利]容器內流體粒子沸騰時的視覺仿真方法及電子設備

有效

• 申請號: 202110443817.6
• 申請日: 2021-04-23
• 公開（公告）號: CN113033068B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 楊旭波;陳文韜;桑田
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F30/28;G06F111/04;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 龐紅芳

本發明提供一種容器內流體粒子沸騰時的視覺仿真方法及電子設備，所述容器內流體粒子沸騰時的視覺仿真方法包括：構建一虛擬的容器和置于容器內的流體粒子，向容器施加外力，預測容器內的流體粒子的位置，求解流體粒子不可壓約束，并基于流體粒子之間的內力對流體粒子速度進行更新；獲取流體粒子的動能參數，對流體粒子的沸騰進行仿真；對所述容器空間進行劃分，生成穿透修正約束，并求解所述穿透修正約束將產生穿透的流體粒子投影回所述容器中。本發明能夠較為輕松地實現高效的沸騰仿真，有效解決現有技術中難以模擬劇烈的沸騰現象的技術問題。

技術領域

本發明涉及視覺動畫處理技術領域，特別是涉及動畫模擬的優化領域。

背景技術

我們每時每刻呼吸的空氣，再到占據地面超過70％的海洋，流體在人類生活中無處不在。無論是洶涌的海浪，飛舞的火焰，還是潺潺的小溪，流體的運動涉及復雜多變的視覺效果，使其成為視覺動畫中一個經久不衰的研究領域。

經過多年的不斷研究，通過算法優化、GPU并行計算等方式已經可以實現流體的實時仿真。基于位置的流體方法(Position Based Fluids,PBF)使用基于位置的思想，減少了多次積分帶來的高性能開銷、可控性低等問題，并通過施加不可壓縮性約束，能夠在較低地性能開銷下維持流體粒子的恒定密度。通過CUDA、Compute Shader等GPU并行計算編程語言，可以在GPU上實現基于位置的流體方法，在實時性能的情況下也能展現出不俗的視覺效果。

然而，目前流體仿真面臨缺乏多樣性、可交互性差等問題，極大地限制了其在實時交互軟件中的應用。目前的流體實時仿真研究大多聚焦于模擬流體自身的物理運動，而較少涉及流體相關的其他復雜現象，例如蒸發、沸騰、結冰等。現有的流體沸騰仿真方法主要是對氣泡的生成、變型、消失過程進行建模，通過氣體粒子對液體粒子進行推動，進而模擬出沸騰的現象。然而這樣基于氣泡的方法會帶來很大的性能開銷，并且使得沸騰現象的視覺效果難以控制。另一方面，因為流體粒子的半徑相對較小，而用戶交互過程及沸騰過程會引發相對較高的移動速度，流體粒子會因離散碰撞失效而從固體容器側壁穿透溢出，進而造成不真實的視覺效果。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種容器內流體粒子沸騰時的視覺仿真方法及電子設備，用于解決現有技術中視覺動畫中難以模擬流體粒子劇烈的沸騰現的技術問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種容器內流體粒子沸騰時的視覺仿真方法，包括：構建一虛擬的容器和置于容器內的流體粒子，向容器施加外力，預測容器內的流體粒子的位置，求解流體粒子不可壓約束，并基于流體粒子之間的內力對流體粒子速度進行更新；獲取流體粒子的動能參數，對流體粒子的沸騰進行仿真；對所述容器空間進行劃分，生成穿透修正約束，并求解所述穿透修正約束將產生穿透的流體粒子投影回所述容器中。

于本發明的一實施例中，所述向容器施加外力，預測容器內的流體粒子的位置包括：根據粒子空間位置分布進行重排序；根據施加的外力更新流體粒子位置及流體粒子速度；記錄每個流體粒子的鄰居粒子；基于流體粒子位置、液體粒子速度、流體粒子的鄰居粒子以及施加的外力預測液體粒子位置。

于本發明的一實施例中，所述基于流體粒子位置、液體粒子速度、流體粒子的鄰居粒子以及施加的外力預測液體粒子位置的一種實現方式為：

其中為粒子i的預測位置，x_i為粒子i的初始位置，Δt_s為迭代時間步長，v_i為粒子i的速度，m為粒子質量，f_ext(xi)為位置x_i處受到的外力向量。

于本發明的一實施例中，所述求解流體粒子不可壓約束的一種實現方式為：